1. A-286 a 27{4}}7MO sú zliatiny na báze železa, niklu a chrómu, ktorých pevnosť je odvodená od precipitačného vytvrdzovania. Aký je zásadný rozdiel v primárnej precipitačnej fáze, ktorá spevňuje každú zliatinu, a ako to súvisí s ich zamýšľaným prevádzkovým prostredím?
Toto je hlavný diferenciátor. Obe sú tvrditeľné vekom-, ale chémia ich spevňujúcich fáz je prispôsobená rôznym výkonnostným cieľom: jedna pre čistú pevnosť pri teplote, druhá pre pevnosť s extrémnou odolnosťou proti korózii.
A-286 (UNS S66286 / W.Nr. 1.4980):
Primárna zrazenina: Gamma Prime ( '), s nominálnym zložením Ni3 (Al, Ti). Ide o rovnaký typ koherentnej, usporiadanej zrazeniny, ktorá sa používa na spevnenie superzliatin na báze niklu-, ako je INCONEL 718.
Zdôvodnenie servisného prostredia: Precipitát Gamma Prime je neuveriteľne stabilný pri vysokých teplotách a poskytuje vynikajúcu pevnosť pri tečení a pretrhnutí. Obsah chrómu (~15 %) v A-286 však postačuje len na miernu odolnosť voči oxidácii. Nie je určený na silnú vodnú koróziu. Jeho doménou sú aplikácie s vysokým-namáhaním a vysokými teplotami vo vzduchu alebo v mierne oxidačnej atmosfére, ako sú komponenty prúdových motorov a plynových turbín.
Incoloy 27-7MO (UNS S31277 / W.Nr. 2.4675):
Primárna zrazenina: Fáza chi (χ) a možno aj ďalšie komplexné intermetalické látky, ktoré vznikli z vysokého obsahu molybdénu (~7 %) a chrómu (~21 %) počas nízkej-teploty (napr. 700-800 stupňov).
Zdôvodnenie servisného prostredia: Vysoký obsah Mo a Cr je v prvom rade pre odolnosť proti korózii. Precipitačné vytvrdzovanie je sekundárnym krokom na zvýšenie medze klzu tejto už aj tak vysoko koróznej- odolnej matrice. Jeho doménou sú aplikácie pri teplote okolia-, kde sa vyžaduje kombinácia maximálnej odolnosti proti korózii (najmä voči chloridom) a veľmi vysokej pevnosti, ako napríklad vysokotlakové-zariadenia.
2. Prečo by mala byť rúra vyrobená z 27- 7MO pre vysokotlakovú a kyslú prevádzku (obsahujúca H₂S) dolná hadica špecifikovaná oproti bežnejšej A-286, napriek vynikajúcej pevnosti A-286 pri vysokých teplotách?
Výber je riadený základnou hrozbou v kyslom prostredí: sulfidovým stresovým praskaním (SSC), nie vysokým-tečením.
Prečo je 27-7MO lepší pre kyslú službu:
Ekvivalent odolnosti proti pittingu (PREN): Toto je najkritickejší faktor. SSC často iniciuje na miestach bodovej korózie. PREN za 27-7 MO je mimoriadne vysoké: PREN=%Cr + 3.3*(%Mo) + 16*(%N)=21 + (3,3*7) + (16*0,3) ≈ 21 + 23.1 + 4.8=~49. To zaisťuje odolnosť voči chloridovej jamkovej a štrbinovej korózii a odstraňuje potenciálne miesta iniciácie SSC trhlín.
Vysoký obsah molybdénu: ~7% obsah Mo špecificky zlepšuje odolnosť voči SSC v prostredí H₂S stabilizáciou pasívneho filmu v redukčných podmienkach.
Dosiahnuteľná pevnosť s nízkou tvrdosťou: Po starnutí môže 27-7MO dosiahnuť medzu klzu presahujúcu 125 ksi (860 MPa) pri zachovaní jemnej, jednotnej mikroštruktúry s tvrdosťou, ktorú je možné kontrolovať tak, aby spĺňala prísne požiadavky NACE MR0175/ISO 15156 (zvyčajne maximálne 36 HRC).
Prečo je A-286 nevhodný:
A-286 má oveľa nižšie PREN (~19) vďaka nižšiemu Cr a minimálnemu Mo, vďaka čomu je veľmi náchylný na jamky v dolných soľankách bohatých na chloridy.
Jeho primárna fáza spevňovania (Gamma Prime) vyžaduje vysokú teplotu starnutia, čo môže sťažiť dosiahnutie vysokej pevnosti potrebnej pre hlboké vrty pri súčasnom zachovaní dostatočne nízkej tvrdosti, aby odolala SSC. Do tohto prostredia jednoducho nie je určený.
3. Potrubie zo zliatiny -286 je určené pre vysokoteplotné- potrubie na prehriatu paru pod vysokým tlakom. Aká špecifická mikroštrukturálna nestabilita predstavuje riziko, ak je rúra dlhodobo udržiavaná v teplotnom rozsahu 650-870 stupňov (1200-1600 stupňov F) a ako to ovplyvňuje jej mechanické vlastnosti?
Primárnym rizikom je transformácia prospešnej, koherentnej fázy Gamma Prime ( ') posilňovania na škodlivú, ne-koherentnú Eta (η) fázu.
Mikroštrukturálna nestabilita: Transformácia Gamma Prime na Eta
Gamma Prime ( '): Požadovaná zrazenina. Ide o koherentnú, usporiadanú Ni₃(Al,Ti) fázu so vzťahom orientácie kocky-kocky s austenitovou matricou. Jeho súdržnosť vytvára obrovské napätie mriežky, ktoré je primárnym zdrojom pevnosti zliatiny.
Eta (η) fáza: Stabilná, ne-koherentná, doskovitá{1}} fáza s nominálnym zložením Ni₃Ti. Vzniká nadmerným-starnutím alebo koalescenciou častíc Gamma Prime, keď sú dlhší čas vystavené špecifickému teplotnému rozsahu.
Vplyv na mechanické vlastnosti:
Transformácia z ' na η má katastrofálny účinok:
Strata pevnosti a odolnosť proti tečeniu: Strata koherencie eliminuje silný posilňujúci účinok. Hrubé η doštičky účinne nebránia pohybu dislokácie.
Silné krehnutie: Doštičková-fáza η pôsobí ako cesta krehkého lomu cez zrná. Húževnatosť a rázová húževnatosť zliatiny dramaticky klesá.
Výsledok: Potrubie trpiace touto nadmernou{0} premenou starnutia by zaznamenalo výrazné zníženie svojej schopnosti udržať tlak-a mohlo by krehkým spôsobom zlyhať pri tepelnom alebo mechanickom šoku. Tomuto teplotnému rozsahu sa treba vyhnúť počas prevádzky alebo tepelného spracovania.
4. Zváranie precipitáciou-vytvrdených zliatin je notoricky náročné. Porovnajte kritické požiadavky na tepelné spracovanie po zváraní (PWHT) pre A-286 a 27-7MO, aby ste obnovili koróznu odolnosť a mechanické vlastnosti zvarenca.
Oboje si vyžaduje úplné pre{0}}riešenie a ošetrenie podľa veku, ale špecifiká a dôsledky ich vynechania sa líšia.
A-286 Welding PWHT:
Proces: Zváranie rozpúšťa Gamma Prime v tepelne-ovplyvnenej zóne (HAZ) a zanecháva ju v mäkkom, v roztoku-žíhanom stave. Na obnovenie pevnosti je povinné úplné rozpustenie (980 stupňov / 1800 stupňov F) nasledované riadeným starnutím (720 stupňov / 1325 stupňov F).
Dôsledok vynechania PWHT: Zvarenec bude mať výrazné gradienty vlastností. Zvarový kov a HAZ budú slabé (nízka medza klzu) v porovnaní so silným starým základným kovom. To robí spoj mechanicky slabým článkom, náchylným na zlyhanie pri zaťažení. Odolnosť proti korózii nie je pre typické aplikácie A-286 hlavným problémom.
Incoloy 27-7MO Welding PWHT:
Proces: Podobne ako v prípade A-286 je na opätovné-rozpustenie fázy Chi a homogenizácia štruktúry potrebné úplné rozpúšťacie žíhanie (často nad 1150 stupňov / 2100 stupňov F), po ktorom nasleduje ochladenie vodou. Potom musí nasledovať špecifická úprava starnutia na opätovné vyzrážanie fáz tvrdnutia a dosiahnutie požadovanej vysokej pevnosti.
Dôsledok preskočenia PWHT: Toto je ešte kritickejšie pre 27-7MO. Bez úpravy pomocou re-roztoku sa v HAZ vytvoria senzibilizované zrazeniny karbidov a nitridov chrómu pozdĺž hraníc zŕn, čím dôjde k ochudobneniu okolitej matrice o chróm. Vďaka tomu je HAZ mimoriadne náchylná na medzikryštalickú koróziu, jamkovú koróziu a SSC, čo úplne popiera primárny účel zliatiny. Spoj sa stáva miestom korózneho zlyhania.
5. Z hľadiska obstarávania a dizajnu odôvodnite výber oveľa drahšej rúrky Incoloy 27-7MO pred štandardnou duplexnou nehrdzavejúcou oceľou, ako je 2205, pre stĺpovú rúrku vstrekovacieho čerpadla morskej vody vyžadujúcu vysokú pevnosť.
Odôvodnenie spočíva na kvantitatívnom rozdiele v odolnosti proti korózii a katastrofálnych nákladoch na zlyhanie.
Rozdiel vo výkone:
Duplex 2205 (UNS S31803): Dobrá, univerzálna-korózna- zliatina s PREN ~35. Avšak v horúcej stojatej morskej vode (najmä pod nánosmi alebo v štrbinách) môže byť náchylná na štrbinovú koróziu. Jeho maximálna medza klzu je typicky okolo 65-70 ksi (450-485 MPa) v žíhanom stave.
Incoloy 27-7MO: S PREN ~49 je prakticky imúnny voči štrbinovej korózii v morskej vode pri všetkých praktických teplotách. Okrem toho v staršom stave môže dosiahnuť minimálne medze klzu 125 ksi (860 MPa) alebo vyššie.
Odôvodnenie obstarávania a návrhu:
Eliminácia rizika korózie: Vstrekovanie morskej vody je kritickým systémom; porucha vedie k strate výroby a nákladným opravám na mori. 27-7Definitívna odolnosť MO voči lokalizovanej korózii poskytuje záruku, ktorú duplex 2205 nedokáže, čím sa eliminuje riziko prestojov.
Optimalizácia hmotnosti a veľkosti: Medza klzu vo veku 27-7MO je takmer dvojnásobná v porovnaní s rokom 2205. To umožňuje konštruktérovi použiť tenšie stenové potrubie pre rovnaký tlak, čo vedie k významnej úspore hmotnosti pre dlhé zavesené stĺpové potrubie. Tým sa znižuje zaťaženie konštrukcie plošiny a samotného čerpadla. Alternatívne pri rovnakej hrúbke steny umožňuje oveľa vyšší prevádzkový tlak systému.
Náklady na životný cyklus: Počiatočná prémia za 27-7MO je kompenzovaná jeho bezchybným, dlhodobým výkonom a prevádzkovou flexibilitou, ktorú poskytuje jeho vysoká pevnosť. Náklady na jednu operáciu získania a výmeny neúspešnej duplexnej oceľovej stĺpovej rúrky by ďaleko presiahli počiatočný rozdiel v nákladoch na materiál.
Záverom možno povedať, že A-286 je špecialista na vysokoteplotnú pevnosť, ideálny pre aplikácie vo vzduchu alebo oxidačnej atmosfére, kde je kľúčová odolnosť proti tečeniu. Incoloy 27-7MO je špecialista na odolnosť proti korózii, skonštruovaný tak, aby poskytoval bezprecedentnú pevnosť a odolnosť voči chloridom a kyslému prostrediu, čo odôvodňuje jeho cenu v najkritickejších vrtných a námorných aplikáciách.
